控制运动轨迹的插补原理
数控技术第3章插补原理
5. 运算举例（第Ⅰ 象限逆圆弧） 运算举例（ 象限逆圆弧） 加工圆弧AE 起点(4,3) AE， (4,3)， 终点(0,5) E=(4-0)+(5加工圆弧AE，起点(4,3)， 终点(0,5) ，E=(4-0)+(53)=6 插补过程演示
三.逐点比较法的进给速度 逐点比较法的进给速度
逐点比较法除能插补直线和圆弧之外，还能插补椭圆、 逐点比较法除能插补直线和圆弧之外，还能插补椭圆、 抛物线和双曲线等二次曲线。此法进给速度平稳， 抛物线和双曲线等二次曲线。此法进给速度平稳， 精度较高。在两坐标联动机床中应用普遍. 精度较高。在两坐标联动机床中应用普遍. 对于某一坐标而言， 对于某一坐标而言，进给脉冲的频率就决定了进给速 度 ：
插补是数控系统最重要的功能； 插补是数控系统最重要的功能； 插补实际是数据密集化的过程； 插补实际是数据密集化的过程； 插补必须是实时的； 插补必须是实时的； 插补运算速度直接影响系统的控制速度； 插补运算速度直接影响系统的控制速度； 插补计算精度影响到整个数控系统的精度。 插补计算精度影响到整个数控系统的精度。 插补器按数学模型分类，可分为一次插补器、 插补器按数学模型分类，可分为一次插补器、二次插补器及高 次曲线插补器； 次曲线插补器； 根据插补所采用的原理和计算方法不同， 根据插补所采用的原理和计算方法不同，分为软件插补和硬件 插补。目前大多采用软件插补或软硬件结合插补。 插补。目前大多采用软件插补或软硬件结合插补。 根据插补原理可分为：脉冲增量插补和数字采样插补。 根据插补原理可分为：脉冲增量插补和数字采样插补。
脉冲当量： 脉冲当量：每一个脉冲使执行件按指令要求方向移动的直线 距离，称为脉冲当量， 表示。一般0.01mm 0.001mm。 0.01mm～ 距离，称为脉冲当量，用δ表示。一般0.01mm～0.001mm。 脉冲当量越小， 脉冲当量越小，则机床精度越高
第三章插补与刀补解析
第
三 章
复杂，计算机的每次插补运算的时间必然加长，从
插
补 、
而限制进给速度指标和精度指标的提高。
刀
补
原
理
及
速
度
控
制
8
下午5时24分
数 字
第一节
概述
控
制 机
3.
插补方法的分类
床
• 脉冲增量插补(又称基准脉冲插补或行程标量插补)
第
特点：
三
章
➢ 该插补算法主要为各坐标轴进行脉冲分配计算。其
插
补
特点是每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量
插
补 、
➢ 脉冲增量插补的实现方法较简单，通常仅用加法和
刀
补
移位运算方法就可完成插补。因此它比较容易用硬
原
理 及
件来实现，而且，用硬件实现这类运算的速度很快
速
度 控
的。但是也有用软件来完成这类算法的。
制
10
下午5时24分
数 字
第一节
概述
控
制 机
这类插补算法有：逐点比较法、数字积分法、比较
床
积分法、矢量判断法、最小偏差法、数字脉冲乘法
O
直线
X
、
刀 插补步骤： 补
原 1、偏差判别，判别Fm>=0或Fm<0，确定坐标进给方向和偏差计算方法
理
及 2、坐标进给：根据象限及偏差符号，决定沿＋X,-X,+Y,-Y四个方向的哪个方向前进
速 度 3、偏差计算：进给一步后，计算新的加工点的偏差，作为下次偏差的依据
床
用这类插补算法时，可达到较高的进给速度（一
第
三
插补原理
插补原理：在实际加工中，被加工工件轮廓形状千差万别，严格说来，为了满足几何尺寸精度要求，刀具中心轨迹应该准确地依照工件轮廓形状来生成，对于简单曲线数控系统可以比较容易实现，但对于较复杂形状，若直接生成会使算法变得很复杂，计算机工作量也相应地大大增加，因此，实际应用中，常采用一小段直线或圆弧去进行拟合就可满足精度要求(也有需要抛物线和高次曲线拟合情况)，这种拟合方法就是“插补”，实质上插补就是数据密化过程。
插补任务是根据进给速度要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点坐标值，每个中间点计算所需时间直接影响系统控制速度，而插补中间点坐标值计算精度又影响到数控系统控制精度，因此，插补算法是整个数控系统控制核心。
插补算法经过几十年发展，不断成熟，种类很多。
一般说来，从产生数学模型来分，主要有直线插补、二次曲线插补等；从插补计算输出数值形式来分，主要有脉冲增量插补(也称为基准脉冲插补)和数据采样插补[26]。
脉冲增量插补和数据采样插补都有个自特点，本文根据应用场合不同分别开发出了脉冲增量插补和数据采样插补。
1数字积分插补是脉冲增量插补一种。
下面将首先阐述一下脉冲增量插补工作原理。
2.脉冲增量插补是行程标量插补，每次插补结束产生一个行程增量，以脉冲方式输出。
这种插补算法主要应用在开环数控系统中，在插补计算过程中不断向各坐标轴发出互相协调进给脉冲，驱动电机运动。
一个脉冲所产生坐标轴移动量叫做脉冲当量。
脉冲当量是脉冲分配基本单位，按机床设计加工精度选定，普通精度机床一般取脉冲当量为：0.01mm，较精密机床取1或0.5 。
采用脉冲增量插补算法数控系统，其坐标轴进给速度主要受插补程序运行时间限制，一般为1~3m/min。
脉冲增量插补主要有逐点比较法、数据积分插补法等。
逐点比较法最初称为区域判别法，或代数运算法，或醉步式近似法。
这种方法原理是：计算机在控制加工过程中，能逐点地计算和判别加工偏差，以控制坐标进给，按规定图形加工出所需要工件，用步进电机或电液脉冲马达拖动机床，其进给方式是步进式，插补器控制机床。
数控机床插补原理
对圆弧，提供起点、终点、顺圆或逆圆、以及圆心相对于起点的位置。为满
足零件几何尺寸精度要求，必须在刀具(或工件)运动过程中实时计算出满足 线形和进给速度要求的若干中间点(在起点和终点之间)，这就是数控技术中
插补(Interpolation)的概念。据此可知，插补就是根据给定进给速度和给定
轮廓线形的要求，在轮廓已知点之间，确定一些中间点的方法，这种方法称 为插补方法或插补原理。
Xm+1＝Xm+1, Ym+1＝Ym
新的偏差为
Fm+1＝Ym+1Xe－Xm+1Ye＝Fm－Ye
若Fm＜0时，为了逼近给定轨迹，应向＋Y方向进给一步，走一步后新的坐标值为
Xm+1＝Xm, Ym+1＝Ym ＋1
新的偏差为
Fm+1＝Fm＋Xe
4. 终点判别法
逐点比较法的终点判断有多种方法，下面主要介绍两种：
直到∑为零时，就到了终点。
2.2
不同象限的直线插补计算
上面讨论的为第一象限的直线插补计算方法，其它三个象
限的直线插补计算法，可以用相同的原理获得，表5-1列出了
四个象限的直线插补时的偏差计算公式和进给脉冲方向，计 算时，公式中Xe，Ye均用绝对值。
表1-1 四个象限的直线插补计算
第13讲 数控系统插补原理(1)
3 2 1 终点判别 O 1 y
计 算 机 数 控 装 置
E(4,3
Y 给结束
2 N 3
4
15
3.2 逐点比较法插补 数 控 技 术
第 三 章
计 算 机 数 控 装 置
2. 直线插补： （1）偏差函数的设计： 直线方程为： XeY－XYe＝0 直线OE 为给定轨迹，P （X，Y）为动点坐标，动点 与直线的位置关系有三种情 况：①动点在直线上方、② 直线上、③直线下方。
计 算 机 数 控 装 置
具沿X轴应走的步数为X e，沿Y轴走的步数为Ye，计数器中存入 X和Y两坐标进给步数总和∑＝∣Xe∣＋∣Ye∣，当X或Y坐标进 给时，计数长度减1，当计数长度减到零时，即∑＝0时，停止 插补，到达终点。
19
3.2 逐点比较法插补 数 第一象限直线逐点比较法插补的流程图： 控 开始 技 初始化xe→X，ye→Y,E→N 术
第 三 章
（2）进给方向的判别: 对于第一象限直线，其偏差符号与进给方向的关系为 :
①F＝0时，表示动点在OE上，如点P，可向＋X向进给，也可向＋Y向进给。 ②F>0时，表示动点在OE上方，如点P1，应向＋X向进给。 ③F<0时，表示动点在OE下方，如点P2，应向＋Y向进给。 这里规定动点在直线上时，可归入F>0的情况一同考虑。
目标 位置 当前 位置 误差 实际 位置 进给 速度
插补模块
调整运算
驱动装置
工作台
测量元件
8
位置控制软件
3.1 CNC装置的插补原理概述 数 控 技 术
第 三 章
三. 数控插补的分类 ： 2. 数字增量插补（时间标量插补或数据采样插补） 数据采样插补的特点： ① 每次插补运算的结果不再是某坐标轴方向上的一个脉冲，
插补的基本概念脉冲增量插补与数据采样插补的特点和区别逐点比较法的基本原理直线插补和圆弧插补
插补的基本概念脉冲增量插补与数据采样插补的特点和区别逐点比较法的基本原理直线插补和圆弧插补
脉冲增量插补和数据采样插补是实现插补的两种不同方法。
脉冲增量插补是将连续的运动轨迹离散化，以一定的脉冲数来表示，通过控制脉冲信号的频率和方向来控制机床的运动方向和速度。
而数据采样插补则是将预先生成的轨迹数据存储在内存中，通过对数据进行采样来得到机床的控制指令。
脉冲增量插补的特点是运算简单，系统响应速度较快，适合于高速运动控制；但由于其离散化的特点，可能会引入累积误差。
数据采样插补的特点是能够精确控制机床的运动轨迹，减小累积误差，但需要占用较大的内存空间。
逐点比较法是一种用于校正控制系统误差的方法。
其基本原理是通过对实际运动轨迹数据和预期轨迹数据进行逐点比较，根据比较结果来调整机床的控制指令，使实际运动轨迹尽可能地与预期轨迹一致。
逐点比较法的关键是选择合适的比较误差补偿算法，以实现高效准确的校正。
直线插补是指在机床坐标系下，按照直线轨迹进行插补运动。
直线插补的计算相对简单，只需要对坐标进行线性插值即可。
圆弧插补是指在机床坐标系下，按照圆弧轨迹进行插补运动。
圆弧插补的计算相对复杂，需要考虑起点、终点和半径等参数，通过数学运算得出插补指令。
总之，插补是机床运动控制的基础，脉冲增量插补和数据采样插补是两种常见的实现方式，逐点比较法是一种用于校正误差的方法，直线插补和圆弧插补则是两种常见的插补方式。
数控加工中两种插补原理及对应算法
数控加工中两种插补原理及对应算法数控机床上进行加工的各种工件，大部分由直线和圆弧构成。
因此，大多数数控装置都具有直线和圆弧的插补功能。
对于非圆弧曲线轮廓轨迹，可以用微小的直线段或圆弧段来拟合。
插补的任务就是要按照进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干中间控制点的坐标值。
由于每个中间点计算的时间直接影响数控装置的控制速度，而插补中间点的计算精度又影响整个数控系统的精度，所以插补算法对整个数控系统的性能至关重要，也就是说数控装置控制软件的核心是插补。
插补的方法和原理很多，根据数控系统输出到伺服驱动装置的信号的不同，插补方法可归纳为脉冲增量插补和数据采样插补两种类型。
一、脉冲增量插补这类插补算法是以脉冲形式输出，每次插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。
把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作台运动。
一个脉冲产生的进给轴移动量叫脉冲当量，用δ表示。
脉冲当量是脉冲分配计算的基本单位，根据加工的精度选择，普通机床取δ＝0.01mm，较为精密的机床取δ＝1μm或0.1μm。
插补误差不得大于一个脉冲当量。
这种方法控制精度和进给速度低，主要运用于以步进电动机为驱动装置的开环控制系统中。
二、数据采样插补数据采样插补又称时间标量插补或数字增量插补。
这类插补算法的特点是数控装置产生的不是单个脉冲，而是数字量。
插补运算分两步完成。
第一步为粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直线段来拟合给定曲线，每一微小直线段的长度△L都相等，且与给定进给速度有关。
粗插补时每一微小直线段的长度△L与进给速度F和插补T周期有关，即△L＝FT。
插补原理
F8=F7-2x7+1=0
x8=4, y8=0
终点判别 Σ=4+4=8 Σ=8-1=7
Σ=7-1=6
Σ=5 Σ=4 Σ=3 Σ=2 Σ=1 Σ=0
图 3.4 逐点比较法圆弧插补轨
4.逐点比较法的速度分析 刀具进给速度是插补方法的重要性能指标，也是选择插补方法的重要依据。 （1）直线插补的速度分析 直线加工时，有
（为 0.701f），进给速度在（1～0.707）f 间变化。 5.逐点比较法的象限处理 以上仅讨论了第一象限的直线和圆弧插补，对于其它象限的直线和圆弧，可采取不同
方法进行处理。下面介绍其中的两种。 （1）分别处理法 前面讨论的插补原理与计算公式，仅适用与第一象限的情况。对于其它象限的直线插补
和圆弧插补，可根据上面的分析方法，分别建立其偏差函数的计算公式。这样对于四个象限 的直线插补，会有 4 组计算公式，对于 4 个象限的逆时针圆弧插补和 4 个象限的顺时针圆弧 插补，会有 8 组计算公式，其刀具的偏差和进给方向可用图 3.7 的简图加以表示。
F2=F1+2y1+1 =-7+2*0+1=-6
x2=3 y2=y1+1=1
F3=F2+2y2+1=-3
x3=4, y3=2
F4=F3+2y3+1=2
x4=3, y4=3
F5=F4-2x4+1=-3
x5=4, y5=0
F6=F5+2y5+1=4
x6=4, y6=0
F7=F6-2x6+1=1
x7=4, y7=0
步数
表 3.1 逐点比较法直线插补过程
偏差判别
坐标进给
偏差计算
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
教学课题控制运动轨迹的插补原理
教学课时 2
教学目的掌握逐点比较插补法原理（直线插补，圆弧插补）及插补运算
教学难点插补运算
教学重点插补原理
教学方法讲授图示公式分析
教具准备电脑黑板粉笔教材
教学过程
教学步骤（流程）教学内容设计意图
及依据
新课学习一、逐点比较插补法原理（一种边走边找的近似法）
原理：数控装置在加工轨迹的过程中，逐点计算和判别加工
偏差，以控制坐标进给方向，从而按规定的图形加工出合格
的工件。
1.偏差判别：判别加工点对规定几何轨迹的偏差位置，然后
决定机床滑板的走向。
2.进给：控制机床滑板进给一步，向规定的轨迹逼近，缩小
偏差。
3.偏差计算：计算加工点对规定轨迹的偏差，作为下一步判
别走向的依据。
4.终点判断：判断是否到达程序的加工终点。
若到达，则停
止插补。
否则，继续重复上述过程，直至加工出所要求的轮
廓形状。
5.逐点比较法插补的工作流程图11-15
二、直线插补，圆弧插补
1.平面直线插补
①.加工偏差判别式图11-16
解析教材，
理清思路
抓重点
tanαi = Y i/X i，tanα = Y e/X e
比较αi与α的大小只需比较tanαi与tanα的大小即可。
因为
Tanαi- tanα= Y i/X i- Y e/X e
=（X e Y i-X i Y e）/X i X e
由于X i X e＞0 所以只需比较X e Y i与X i Y e的大小。
设 F ij = X e Y i- X i Y e则有
F ij =0时，加工点M（X i，Y i）在直线上
F ij ＞0时，加工点M（X i，Y i）在直线上方
F ij ＜0时，加工点M（X i，Y i）在直线下方
②.偏差计算
第一象限偏差与进给的关系
F≥0时X轴正方向进给，F i+1，j=F i，j-Y e
F＜0时Y正方向进给，F i，j+1=F i，j+X e
③.终点判断（两种判断方法）
a.利用动点所走过的总步数是否等于坐标之和来判断。
b.取点坐标Xe和Ye的较大者作为终判计数器的初值，并称此值为长轴，另一个值为短轴。
2.平面圆弧插补
①.加工偏差判别式图11-17
R M＞R 加工点M在圆外，为缩小偏差，应控制机床滑板向圆图示、公式讲解逐点比较插补法原理及偏差计算
内进给一步，现选择向X轴负方向进给一步。
R M＜R 加工点M在圆内，应控制机床滑板向圆外沿Y轴正方向进给一步
R M=R 加工点M在圆上，但为了继续加工也必须进给，进给方向通常与R M＞R相同
由圆的方程式：X²+Y²=R²得平面插补的判别式为：
F ij=R M² -R²=X i²+Y i²-R²
当F ij≥0时，向X轴负方向进给一步
F ij＜0时，向Y轴正方向进给一步
②.偏差计算
F ij≥0向X轴负方向进给一步。
则
F i+1，j=（X i-1）²+Y i²-R²
=X i²-2X i+1+Y i²
=F ij-2X i+1
F ij＜0向Y轴正方向进给一步
F i，j+1=F ij+2Y i+1
③.终点判断（一般取45°线为界来确定）
圆弧插补的终点判断和直线插补一样，但要注意以下两点：
a.每个坐标方向的进给总步数等于终点坐标值与起点坐标
值之差的绝对值，即X方向为｜Xe-X0｜；Y方向为｜Ye-Y0｜。
b.在取单方向总步数作为终判计数器的初值时，计数方向的
选取决定于终点附近的情况：若圆弧终点靠近Y轴，则X 方向最后到达终点值，所以计数器方向应取X方向（记为Gx）；若终点靠近X轴，同理，计数方向应取Y方向（记为Gy）
3.象限坐标变换
a.偏差计算公式不变。
但在进给方向上，也就是脉冲分配时，按不同的象限和圆弧走向进行转换，根据实际象限和圆弧走向来确定。
转换关系见表 11-1
b.同样的方法适用于坐标的变换。
如果要插补YZ平面内的直线或圆弧，只需以Y代X，Z代Y即可。
同理，如果插补在XZ平面内进行，就以Z代Y,X不变。
这种方法使我们可以用两坐标插补的设备，很容易实现三坐标机床的控制，从而加工出各种立体形状的工件。
逐点比较插补法的优点：
逐点比较发运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲速度变化小，调节方便，因此应用很普遍。
课堂小结本次课主要掌握逐点比较插补法的原理、偏差的计算、象限及坐标的转换
板书提纲
板书设计
插补的工作流程——判别式——逐点比较插补法的优点。